閆涵，溫斌

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

水利水電工程中地形條件復(fù)雜，邊界條件多樣化，方案優(yōu)化空間較大。在某抽水蓄能電站預(yù)可研設(shè)計(jì)中，應(yīng)用BIM 技術(shù)（MicroStation-GeoPak軟件）快速解決了壩工專業(yè)上水庫(kù)方案布置、工程量計(jì)算、方案布置圖繪制及土石方平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。極大地提高了工作效率和準(zhǔn)確度，提升了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 工程概述

某抽水蓄能電站上水庫(kù)流域面積為0.37 km2，調(diào)節(jié)庫(kù)容859×104m3；下水庫(kù)流域面積為5.97 km2，調(diào)節(jié)庫(kù)容838×104m3。上下水庫(kù)之間的直線距離為1 800 m，距高比為4.9。

電站裝機(jī)容量1 200 MW，單機(jī)容量300 MW，年平均發(fā)電量20.1×108kW·h，年平均抽水電量26.45×108kW·h，綜合效率76.0%。電站建成后在系統(tǒng)中主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。

2 上水庫(kù)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程

2.1 地形地質(zhì)條件

該工程上水庫(kù)三面環(huán)山，水庫(kù)呈近似三角形。南、北庫(kù)岸為條形山脊，東庫(kù)岸后部山體較雄厚，西側(cè)為支溝發(fā)育的深切沖溝，采用開挖與筑壩相結(jié)合的方式形成。庫(kù)盆開挖后，三側(cè)庫(kù)岸均被削薄，南、北庫(kù)岸及東庫(kù)岸兩端均形成單薄山脊。地下水位多低于正常蓄水位，存在庫(kù)水外滲問(wèn)題，低矮埡口存在庫(kù)水外溢問(wèn)題。

2.2 方案初步設(shè)計(jì)

經(jīng)方案比選，推薦上水庫(kù)防滲型式采用瀝青混凝土面板全庫(kù)盆防滲，大壩采用碾壓式瀝青混凝土面板堆石壩，最大壩高98 m（壩軸線位置），大壩上游坡1∶1.7，下游坡1∶1.4，壩頂以下每20 m 設(shè)置一級(jí)馬道，馬道寬3 m。庫(kù)岸以上強(qiáng)、弱風(fēng)化巖石邊坡按1∶0.5開挖，全風(fēng)化及覆蓋層按1∶1.5 開挖。

根據(jù)地形條件、特征水位及調(diào)節(jié)庫(kù)容，初步擬定一個(gè)庫(kù)盆形狀，利用GeoPak 三維軟件操作，導(dǎo)入各層地質(zhì)模型，按上述坡比進(jìn)行開挖、填筑操作，快速得到上水庫(kù)的庫(kù)盆型式，并快速計(jì)算開挖、填筑工程量，此方案上水庫(kù)總開挖量495.8萬(wàn)m3，總填筑量669.6 萬(wàn)m3，初擬方案見圖1。

圖1 上水庫(kù)初擬方案布置圖

2.3 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)中，如果上水庫(kù)土石方工程量能夠達(dá)到挖填平衡，就可以減少工程棄料、避免石料外購(gòu)，減少工程投資。

根據(jù)地形情況，上水庫(kù)左側(cè)為溝谷，為大壩填筑，且填筑范圍較遠(yuǎn)，右岸為山坡，為環(huán)庫(kù)路庫(kù)岸開挖，將壩軸線和環(huán)庫(kù)路均向右岸優(yōu)化，并微調(diào)庫(kù)盆形狀，即可減少壩體填筑、增加石方開挖工程量。按此方向進(jìn)行方案優(yōu)化，將調(diào)整后的庫(kù)盆進(jìn)行開挖、填筑操作，再進(jìn)行工程量計(jì)算，直到得到相對(duì)合理的布置范圍及基本平衡的土石方工程量，即可完成上水庫(kù)庫(kù)盆的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的上水庫(kù)總開挖量590.1 萬(wàn)m3，總填筑量585.8 萬(wàn)m3，優(yōu)化方案布置見圖2。

圖2 上水庫(kù)優(yōu)化方案布置圖

將成果文件輸出到需要的地形圖中，經(jīng)過(guò)調(diào)整、完善得到上水庫(kù)平面布置圖，供下游專業(yè)配合設(shè)計(jì)工作，以及結(jié)合相關(guān)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算等工作。目前，因工程前期階段專業(yè)工作特點(diǎn)差異，各專業(yè)工作配合仍以二維圖紙為主。

3 BIM 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 提高設(shè)計(jì)工作效率

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用斷面法、平切法進(jìn)行方案布置及工程量計(jì)算，對(duì)于上水庫(kù)全庫(kù)盆防滲方案不但計(jì)算工作量較大，而且誤差較大，方案優(yōu)化效率也較低。應(yīng)用BIM 技術(shù)減少了由二維剖面圖到平面布置圖的環(huán)節(jié)，直接建立三維模型，形成方案布置圖，完成工程量計(jì)算，準(zhǔn)確確定工程占地范圍，排除生態(tài)紅線等影響，極大地提高了方案優(yōu)化、專業(yè)配合等工作的效率。

3.2 工程總布置效果直觀

在水利工程總體布置中，可將復(fù)雜的工程項(xiàng)目直觀化，彌補(bǔ)了二維圖紙的缺陷，為制圖者與識(shí)圖者提供直觀的視覺效果，能夠更有效地傳遞設(shè)計(jì)思路和意圖。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通過(guò)二維圖紙配合工作，存在理解差異，容易出現(xiàn)問(wèn)題，影響設(shè)計(jì)周期。隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展熟練，可以將多專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行整合，在統(tǒng)一模型上綜合分析總體布置方案的合理性，檢查各專業(yè)內(nèi)容是否存在矛盾，及時(shí)協(xié)商，提出解決方案，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)工作的便利性。

3.3 創(chuàng)新水利工程設(shè)計(jì)理念

水利工程具有規(guī)模大、多方參與、多專業(yè)協(xié)同配合、施工技術(shù)難度大、生命周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，整個(gè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程。應(yīng)用BIM 技術(shù)使水利設(shè)計(jì)工作從傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)變到三維模型中來(lái)，不但能夠直觀地展示水利工程設(shè)計(jì)的模型效果，實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)的可視化功能，并且能夠讓整個(gè)設(shè)計(jì)、施工過(guò)程更加地規(guī)范化、系統(tǒng)化，加快實(shí)現(xiàn)水利工程正向設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)2021 年3 月，國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的服務(wù)“碳達(dá)峰、碳中和”，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)加快抽水蓄能開發(fā)建設(shè)重要舉措，總結(jié)在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開展應(yīng)用BIM 技術(shù)，提高水利工程設(shè)計(jì)工作效率，提升設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量，為加快抽水蓄能工程建設(shè)步伐提供技術(shù)支撐。水利行業(yè)將形成行業(yè)規(guī)范性的BIM 設(shè)計(jì)流程，在全專業(yè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理階段形成成熟的體系，BIM 技術(shù)將在水利工程建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。